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1、 硕士学位论文硕士学位论文 最小冗余阵波束合成技术及其应用 BEAM FORMING TECHNOLOGY AND ITS APPLICATIONS IN MINIMUM REDUNDANCY ARRAYS 张璐 张璐 2009 年年 6 月月 国内图书分类号 TN802 15 学校代码 10213 国际图书分类号 621 396 6 密级 公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 最小冗余阵波束合成技术及其应用 硕 士 研 究 生 张璐 导 师 许荣庆教授 申请学位 工学硕士 学科 信息与通信工程 所 在 单 位 电子与信息工程学院 答 辩 日 期 2009 年 6 月 授予学位单位 哈尔滨工
2、业大学 Classified Index TN802 15 U D C 621 396 6 Dissertation for the Master s Degree in Engineering BEAM FORMING TECHNOLOGY AND ITS APPLICATIONS IN MINIMUM REDUNDANCY ARRAYS Candidate Zhang Lu Supervisor Prof Xu Rongqing Academic Degree Applied for Master of Engineering Speciality Information and Comm
3、unication Engineering Affiliation School of Electronics and information Engineering Date of Defence June 2009 Degree Conferring Institution Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 I 摘 要 在许多工程应用中 要求天线阵列有窄的扫描波束 以提高空间分辨率等 技术指标 通常为了实现窄波束采用两种方法 一种方法是基于均匀阵的基 础 增加相控阵天线阵元的个数 这种方法不但增加了成本 还会增加系统的 复杂度 另
4、一种方法是将天线阵元在阵列孔径上进行稀疏布置 构成稀布天线 阵 最小冗余阵作为稀布阵列中的一种 能以最小的冗余度获得比均匀阵大得 多的阵列孔径 从而实现高分辨率 在雷达和无线通信领域中的智能天线技术 方面有着广泛的应用前景 因而受到人们越来越密切的关注 随着对最小冗余阵研究的逐步深入 其波束合成技术成为了一个重要的研 究课题 因为最小冗余阵在获得了窄波束的同时 其旁瓣电平也随之升高 并 且为了使最小冗余阵具有较高的分辨率 需要增大阵列孔径 大大增加了阵元 个数 这样会提高系统的复杂度 给后续处理带来困难 针对旁瓣高的问题 需要研究旁瓣抑制算法 而对于庞大且复杂的处理系统 则需要研究快速 稳 定
5、的波束合成算法 本文所做的工作主要包括以下几个方面 首先介绍了最小冗余阵及阵列冗 余度的基本概念 对最小冗余阵与均匀阵进行了仿真比较并给出了简单的分 析 验证了基于子区间迭代算法及约束最小二乘法对最小冗余阵旁瓣抑制的有 效性 接下来在自适应理论的基础上 分析了对角加载对最小冗余阵自适应波 束合成性能的影响 研究了神经网络在波束合成中的应用 并结合对角加载方 法提高了波束合成的稳健性 探讨了当干扰信号源位于期望信号源附近时 最 小冗余阵的抗干扰能力优于均匀阵 详细讨论了最小冗余理论在稀疏自适应阵 列波束合成中的应用 最后 证实了最小冗余阵能以较高的分辨率实现对独立 信源的角度估计 但对于相干源无
6、法正确判断 针对于此提出一种基于共轭最 小冗余阵的波达方向估计的算法 实现了对相干信号源的波达方向估计 提高 了算法的实用性 关键词 最小冗余阵 旁瓣抑制 自适应波束合成 波达方向估计 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract For many radar and communication project applications of scanning array antennas extreme narrow beamwidth is required to improve the spatial resolution Usually to achieve this goal t
7、here are two available methods one way is to increase the element number of the array which has uniform layout But it will bring higher cost and more complexity with respect to the system another way is to use sparse antenna array whose element spacing is relatively larger than2 As one of the sparse
8、 arrays minimum redundancy array may attain much larger array aperture and higher resolution than uniform array with lowest redundancy It has a great deal application of the radar and smart antenna technology in the field of wireless communication which receives more and more close attention from pe
9、ople With the gradual deep study beamforming technology of minimum redundancy array has become an important research topic Though minimum redundancy array has narrow beamwidth its sidelobe levels also increase To acquire high resolution the minimum redundancy array usually has larger aperture and mu
10、ch more elements and it will increase the complexity of the system and the difficulty to the following signal processing For the problem of high sidelobe level the research in sidelobe suppressing algorithms are needed And the fast steady adaptive beamforming algorithms are also needed to be investi
11、gated The research of this paper mainly includes the following aspects The basic concept of minimum redundancy array and array redundancy are studied The array beam patterns of minimum redundancy array and uniform array are presented And a simple analysis about it is given out Computer simulation re
12、sults of two algorithms constrained least spuare algorith and subspace iterative algorithm verify the validity of the sidelobe supressing Then based on the theory of adaptivity diagonal loading technique is analyzed Neural Network applied to adaptive beamforming is studied which improved the stabili
13、ty of beamforming Using a minimum redundancy array in conjunction with an adaptive antenna the performance of rejecting interferences located in close angular proximity to the look direction will be superior to antenna based on uniform linear array And the application of thin adaptive array beamform
14、ing in minimum redundancy array is II 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 III discussed At last it confirmed that minimum redundancy array can achieve Direction of Arrival estimation of independent signal sources by higher resolution and a method based on conjufgate minimum redundancy array is proposed to realize Direc
15、tion of Arrival estimation between coherent signal sources which enhances the practicality of the algorithms Keywords minimum redundancy array sidelobe supressing adaptive beamforming direction of arrival estimation 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IV 目 录 摘摘 要要 I Abstract II 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 研究的背景和意义 1 1 2 发展及国内外研
16、究现状 2 1 3 论文的主要研究工作和内容安排 4 第第 2 章章 最小冗余阵波束合成最小冗余阵波束合成 6 2 1 最小冗余阵的概念 6 2 1 1 阵列冗余度的定义 7 2 1 2 最小冗余阵的获得 10 2 2 阵列信号数据模型建立及基本假设 11 2 2 1 最小冗余阵模型 12 2 2 2 一些基本假设 12 2 2 3 最小冗余阵波束合成仿真 13 2 3 最小冗余阵和均匀阵性能比较 14 2 3 1 方向图的比较 14 2 3 2 角度分辨率的比较 14 2 3 3 最小冗余阵和均匀阵对抗噪声能力的比较 15 2 3 4 最小冗余阵的宽频特性 16 2 4 本章小结 17 第第 3 章章 旁瓣峰值控制算法研究旁瓣峰值控制算法研究 18 3 1 一种基于子区间的波束合成控制算法 18 3 1 1 算法基本原理 18 3 1 2 算法仿真步骤 21 3 1 3 算法仿真结果及性能分析 21 3 2 约束最小二乘旁瓣控制算法 23 3 2 1 算法基本原理 23 3 2 2 算法仿真步骤 25 3 2 3 算法仿真结果及性能分析 25 3 3 本章小结 26 哈尔滨工业大学工
